利用鍍膜玻璃管測量大氣氣溶膠消光係數的新方法
2023-10-19 11:18:27 1
專利名稱：利用鍍膜玻璃管測量大氣氣溶膠消光係數的新方法
技術領域：
本發明涉及氣溶膠消光係數測量領域，具體涉及一種直接測量大氣氣溶膠消光係數的新方法，它可以實時測量多個波長的大氣氣溶膠消光係數。
背景技術：
大氣氣溶膠是大氣的重要組成部分，是大氣物理化學過程中的一個重要因素，大氣氣溶膠對氣候變化有重要的直接和間接的影響，通過氣溶膠粒子吸收和散射太陽輻射，直接改變地-氣系統的能量收支。建立在大氣光散射基礎上，測量氣溶膠光學特性特別是不同波長上的消光係數以及建立波長轉換關係，能夠加深對氣溶膠光學特性的了解，拓展雷射在大氣中的輻射傳輸研究，更為準確的評估大氣氣溶膠的輻射強迫與氣候影響，具有重要的學術意義和潛在的應用價值。測量氣溶膠消光係數的方法大體上可以分為如下幾種，1，前向探測法一端主動發射雷射光源，在一定距離上(50nT2000m)的另一端接受透射光，透射光和入射光的比值就是透過率進而轉化為消光係數，2後向探測法雷射雷達等屬於主動探測法，測量氣溶膠的後向散射信號反演得到消光係數，3側向探測法能見度儀就是測量探測法，測量氣溶膠的側向(33° )散射信號反演得到消光係數，4反射法通過某一物體對自然光的反射以及周邊物體的對比度也可以反演消光係數。以上這些方法都有一定的局限性，例如前向探測方法需要一定的測量距離(光程)，而後向和側向以及反射法都是反演法，不是直接測量，另外上述的方法一般都是測量某一波長的消光係數。很多波長上的消光係數也只能靠模式推導得到m，因此研究氣溶膠在不同波長上的消光係數是很有意義的。利用鍍膜玻璃管測量大氣氣溶膠消光係數的新方法，克服了上述方法的缺點，其採用直接前向測量的方法，在一米長的玻璃管內可以實現幾十米的光傳輸，達到長程傳輸的目的，真實反映了光在大氣中傳輸以及與氣溶膠的相互作用。使用半導體雷射器作為入射光光源，波長可選532nm、635 nm、650 nm、660 nm、808 nm和980 nm,只要市場上有的波長都可以選用，也可以是連續雷射光源，這些優勢將極大的拓展氣溶膠的消光研究及其應用領域。
發明內容
本發明的目的在於針對現有大氣氣溶膠消光係數測量技術的不足，提供一種結構巧妙、精度高和實時測量的新方法。該方法可以有效測量多種波長上的大氣氣溶膠消光係數；該方法具有原理簡單、操作方便、檢測靈敏度高等特點。本發明採用的技術方案是利用鍍膜玻璃管測量大氣氣溶膠消光係數的新方法，其特徵在於包括玻璃管，所述的玻璃管內外壁鍍有高反射膜，設有氣溶膠入口、出口和光束入口、出口，所述氣溶膠入口、出口分別位於玻璃管的兩端且均垂直於玻璃管，氣溶膠入口設有氣閥，氣溶膠出口設有抽氣泵，所述光束入口、出口分別位於玻璃管的兩端且均與玻璃管成一定角度的夾角，光束入口設有多個波長的雷射二極體作為光源，雷射二極體與光束入口之間的光路上設有平行光管、分光鏡，雷射二極體發射出的光束經過平行光管使光束準直，再通過分光鏡產生兩束光束質量完全相同的準直光束，分別作為參考光和入射光，所述的參考光全部能量進入光電探測器一，轉化為對應的電信號，光束出口設有光電探測器二，所述的入射光在玻璃管內進行反射後進入光電探測器二，光電探測器一、光電探測器二的電信號輸出端接入AD轉換器的單片機，單片機還控制連接雷射二極體、氣閥、抽氣泵，單片機通過連接的USB接口連接計算機；具體測量過程包括以下步驟(I)在玻璃管的氣溶膠入口裝上過濾器，讓波長為λ的入射光以某一角度進入玻璃管，通過沒有氣溶膠的乾淨大氣傳輸，並記錄光電探測器二檢測的入射光在玻璃管中無氣溶膠粒子時的電信號為i2U)，同時波長為λ的參考光直接進入光電探測器一，記錄光電探測器一檢測的波長λ對應的電信號Si1(A)；( 2 )拿掉玻璃管的氣溶膠入口的過濾器，讓氣溶膠均勻進入玻璃管內，開啟玻璃管的氣溶膠出口的抽氣泵，用抽氣泵進行抽氣使氣溶膠粒子在玻璃管內均勻流動，讓波長為λ的入射光以某一角度進入玻璃管，穿過待測大氣氣溶膠，氣溶膠粒子的散射光光強微弱，經玻璃管內壁反射被消耗掉，氣溶膠粒子的吸收轉化為分子熱運動，入射光被氣溶膠粒子散射和吸收後到達光電探測器二轉化為相應的電信號，記錄此時光電探測器二檢測的電信號為i3( λ );(3)步驟(I)、(2)中，光電探測器一、光電探測器二中檢測到的電信號分別轉化為數位訊號並經過單片機處理後接入計算機，計算機內部軟體建立了不同波長的氣溶膠消光係數測量公式
權利要求
1.利用鍍膜玻璃管測量大氣氣溶膠消光係數的新方法，其特徵在於包括玻璃管，所述的玻璃管內外壁鍍有高反射膜，設有氣溶膠入口、出口和光束入口、出口，所述氣溶膠入、出口分別位於玻璃管的兩端且均垂直於玻璃管，氣溶膠入口設有氣閥，氣溶膠出口設有抽氣泵，所述光束入、出口分別位於玻璃管的兩端且均與玻璃管成一定角度的夾角，光束入口設有多個波長的雷射二極體作為光源，雷射二極體與光束入口之間的光路上設有平行光管、分光鏡，雷射二極體發射出的光束經過平行光管使光束準直，再通過分光鏡產生兩束光束質量完全相同的準直光束，分別作為參考光和入射光，所述的參考光全部能量進入光電探測器一，轉化為對應的電信號，光束出口設有光電探測器二，所述的入射光在玻璃管內進行反射後進入光電探測器二，光電探測器一、光電探測器二的電信號輸出端接入AD轉換器的單片機，單片機還控制連接雷射二極體、氣閥、抽氣泵，單片機通過連接的USB接口連接計算機；具體測量過程包括以下步驟 (1)在玻璃管的氣溶膠入口裝上過濾器，讓波長為λ的入射光以某一角度進入玻璃管，通過沒有氣溶膠的乾淨大氣傳輸，並記錄光電探測器二檢測的入射光在玻璃管中無氣溶膠粒子時的電信號為i2U)，同時波長為λ的參考光直接進入光電探測器一，記錄光電探測器一檢測的波長λ對應的電信號Si1U)； (2)拿掉玻璃管的氣溶膠入口的過濾器，讓氣溶膠均勻進入玻璃管內，開啟玻璃管的氣溶膠出口的抽氣泵，用抽氣泵進行抽氣使氣溶膠粒子在玻璃管內均勻流動，讓波長為λ的入射光以某一角度進入玻璃管，穿過待測大氣氣溶膠，氣溶膠粒子的散射光光強微弱，經玻璃管內壁反射被消耗掉，氣溶膠粒子的吸收轉化為分子熱運動，入射光被氣溶膠粒子散射和吸收後到達光電探測器二轉化為相應的電信號，記錄此時光電探測器二檢測的電信號為「(入)； (3)步驟(I)、(2)中，光電探測器一、光電探測器二中檢測到的電信號分別轉化為數位訊號並經過單片機處理後接入計算機，計算機內部軟體建立了不同波長的氣溶膠消光係數測量公式
全文摘要
本發明公開了一種利用鍍膜玻璃管測量大氣氣溶膠消光係數的新方法，包括有鍍膜玻璃管、雷射光源、光學系統和數據採集系統，其中光在鍍膜玻璃管中傳輸光程長、損耗低，某一波長的光在充滿氣溶膠的玻璃管中以一定角度在管壁間長距離傳輸，氣溶膠對光的衰減信息可以通過玻璃管兩端的探測器測量得到，光在玻璃管內的多次折返大大提高了氣溶膠消光的靈敏度。本發明建立了多波長波消光係數的測量公式，基於比值的相對計算方法避免了光電轉換過程中因光強波動導致的測量誤差，具有原理簡單，操作方便，檢測速度快的特點。
文檔編號G01N21/31GK103048284SQ20121051605
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者李學彬, 宮純文, 朱文越, 徐惠玲, 高亦橋, 徐青山, 魏合理 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所